Robots cuspidaux : théorie et applications

Lorsqu’un nouveau robot doit être implanté dans un site de production, il doit faire l’objet d’un choix initial d’architecture cinématique (sérielle ou parallèle, nombre et types d’axes…) et, dans un second temps, il doit être programmé et piloté afin que l’outil qu’il manipule puisse suivre convenablement les trajectoires de consignes qui auront été définies pour réaliser les tâches demandées. La plupart des robots sériels ont la possibilité d’atteindre une cible de leur espace de travail selon plusieurs postures (par exemple avec les postures « coude haut » et « coude bas »). Un changement de posture peut être opéré pour éviter une limite articulaire sur un axe ou une collision avec un obstacle. Il a longtemps été admis que le robot devait alors nécessairement franchir une configuration singulière au cours d’un changement de posture, à l’image de ce qui se passe pour la plupart des robots industriels : la configuration singulière « bras tendu » doit toujours être franchie pour passer entre les postures « coude haut » et « coude bas ». Si cette propriété est effectivement observée sur la plupart des robots qui ont des particularités géométriques (axes parallèles ou concourants), elle ne s’avère pas pour de nombreux autres robots. Dès lors, plusieurs questions cruciales se posent, tant pour l’utilisateur que pour le concepteur. Comment savoir si le robot a bien cette propriété ? Si ce n’est pas le cas, comment savoir si le robot a changé de posture ? Quels sont les robots qui ont cette propriété ?

Cet article se propose de répondre à ces questions. Un robot cuspidal est défini comme un robot qui peut changer de posture sans franchir une configuration singulière. La plus grande part de cet article traite des robots de type sériel. Il propose une méthodologie permettant d’identifier les robots cuspidaux et décrit de façon approfondie leur mécanisme de changement de posture. Une attention particulière est accordée à une famille de robots à trois articulations pivot d’axes orthogonaux deux à deux. Ces robots peuvent constituer des alternatives intéressantes aux robot usuels. Il est donc important de pouvoir les classifier en robots cuspidaux et non cuspidaux. Les robots à six articulations sont plus difficiles à analyser et font encore l’objet de travaux de recherche au moment de la rédaction de cet article. Ils sont principalement abordés au travers de quelques exemples de robots 6R cuspidaux, dont certains sont utilisés dans l’industrie comme robots de peinture. Le cas des robots d’architecture parallèle, plus délicat, est également abordé. On analyse des exemples de robots parallèles plans, sphériques et à 6 degrés de liberté, capables de changer de mode d’assemblage sans franchir une singularité. L’article propose enfin une discussion sur l’intérêt des robots cuspidaux.